M1 – Théorie de Galois – Université Lyon I – 2011-2012 1
XI
Loi(s) de réciprocité quadratique :
Soit pun nombre premier impair. Soit zune racine primitive p−ième de
l’unité.
Soit δ:= Q1≤i<j≤p−1(zi−zj). On a δ∈Q(z)et δ2= ∆Φp(X)=
(−1)p−2(p(p−3)/2)2p.
Donc si test une racine carrée de (−1)(p−1)/2p,test de degré 2sur Qet
t∈Q(z).
Or Gal(Q(z)/Q)'(/p )×contient un unique sous-groupe d’indice 2:
c’est le sous-groupe des carrés de Gal(Q(z)/Q).
Donc Gal(Q(z)/Q(t)) est formé des carrés de Gal(Q(z)/Q).
Or, sq(t2) = t2⇒sq(t) = ±t.
On en déduit que si q6=pest un nombre premier impair, alors sq(t) =
(q/p)tmod pdans [z].
Or, si a0+... +ap−2zp−2∈[z],ai∈, on a :
sq(a0+... +ap−2zp−2) = a0+... +ap−2zq(p−2)
=aq
0+... +aq
p−2zq(p−2) mod q
= (a0+... +ap−2zp−2)qmod q
dans [z]. On a donc :
sq(t)=(q/p)t=tqmod q
dans [z]. Or, test inversible mod q(en effet dans [z], l’idéal engendré par t
et qcontient pet q(car t2=±p) et on a une relation de Bézout : ap +bq = 1
pour certains a, b ∈).
Donc :
tq−1= (q/p) mod q .
Or : tq−1= (−1)(p−1)/2(q−1)/2p(q−1)/2= (−1)(p−1)/2(q−1)/2(p/q) mod q
(remarque : comme est intégralement clos, pour deux entiers x, y,x=
ymod q[z]⇔x=ymod q.) On a donc :
(p/q)(q/p) = (−1)(p−1)/2(q−1)/2.
Loi complémentaire :
Soit zune racine primitive 8−i-ème de l’unité. On a (y+y−1)2=y2+y−2+
2 = 2 car y2=y−6=y−4y−2=−y−2.
On a donc comme précédemment, pour tout ppremier impair :
(y+y−1)2(p−1)/2= (y+y−1)p
=yp+y−pmod p
dans [z]. Or, (y+y−1)est inversible mod p. Donc :
2(p−1)/2=yp+y−p
y+y−1mod p .
Comme yest une racine primitive 8−ième de l’unité, y±pne dépend que de
pmod 8. On a :
yp+y−p=
y+y−1si p=±1 mod 8,
−y−y−1si p=±3 mod 8.
On en déduit : (2/p) = (−1)(p2−1)/8.